冷辐射空调结露防控技术研究进展

郭燕玲，杜柯，吉灼辉，杨丽修，吴会军，3

（1. 广州大学土木工程学院，建筑节能研究院，广州 510006；2. 杰创智能科技股份有限公司，广州 510663；3. 广州大学广东省建筑节能与应用技术重点实验室，广州 510006）

0 引言

近年来，冷辐射空调系统由于具备节能、健康、舒适等优点引起全世界越来越多的关注。20世纪30年代冷辐射空调开始工程应用，90年代欧洲对辐射供冷技术开展系统研究，2002年美国能源部把辐射空调列为15项重点发展的节能空调技术之一［1］，20世纪90年代我国开始引入辐射供冷技术，并对其可行性、舒适性等方面开展了大量的技术研究开发工作［2-4］。

冷辐射空调系统易结露的特性是削弱辐射供冷能力，制约辐射供冷技术广泛应用的关键问题之一。结露不仅影响辐射板的美观，还会导致细菌的滋生，影响室内空气品质。因此本文基于冷辐射空调表面结露防控技术研究进展，提出应用红外透明薄膜新材料新技术。

1 冷辐射空调表面结露特性研究

当冷辐射板表面温度低于室内空气露点温度时会发生结露现象，其结露特性对冷辐射空调结露防控技术的研究有很大相关性。Tang等［5］对辐射冷却板的冷凝进行了一系列研究。实验结果表明疏水表面是一种很有前途的限制辐射板凝结的新方法。随后，进行了湿空气中不同长度的冷辐射板在不同位置上的结露速率实验［6］。结果表明：在相同的空气状态和表面温度下，冷辐射天花板上的结露速率比冷辐射地板上的结露速率高3.5倍，比冷辐射墙壁上的结露速率高25%。在此基础上，对冷辐射空调系统结露风险以及控制策略的基本指标—冷凝水滴离开冷辐射天花板表面的时间进行了理论与实验研究，分析得出冷凝水质量主要由表面湿润性决定而受表面温度影响小，冷凝水离开时间与表观接触角成正相关，与过冷度大小成反相关［7］。 Yin等［8］分析对比了金属、纯管以及石膏辐射冷却面板的传热和冷凝性能，结果表明石膏板的性能最优。Ning等［9］研究发现，薄空气层散热辐射吊顶板表面温度分布均匀，水汽不易集中在辐射板局部区域，缓解了结露问题。

2 冷辐射空调结露防控技术研究

2.1 改进辐射板

1）将冷凝水收集于容器，以及将辐射板竖直或倾斜布置

孔祥雷等［10］首次提出一种“疏导结露”的辐射板模型，将冷凝水疏导至辐射板的边缘处集中回收，减小结露影响，但表面处理及加工工艺难度大，成本高，推广前景小，且未从根本上解决结露问题，供冷能力提高有限。李逸姝等［11］设计了一种新型辐射供冷末端装置，将辐射板竖直放置并在底部放置集水槽，可降低结露风险。张伦等［12］提出一种可强化对流换热的倾斜辐射板结构。其中，集中回收的冷凝水需要考虑如何化害为用，辐射板竖直布置需要考虑辐射面分布对人体热舒适的影响，而倾斜布置还需要考虑冷凝水的后续处理。

2）设置气态隔层

在辐射板与室内空气间设置气态隔层以隔绝辐射板表面与湿空气中水蒸气接触从而防止冷凝。张顺波等［13］提出一种含空气层冷辐射板，通过建立数学传热模型分析计算改进后冷辐射板的供冷能力与防结露水平，计算结果表明设置气态隔层可提升冷辐射板表面温度分布均匀性，水蒸气均匀凝结于辐射板表面，形成膜状凝结，有效降低结露风险。该策略较为简单易行，但具体能达到什么程度的抗结露能力达到仍有待验证。

3）槽内填充换热液

沟槽结构充液式冷辐射板可显著提高辐射板表面温度分布的均匀性，消除局部低温，缓解表面结露。Lv等［14］设计了一种三角形槽型充液辐射板，由上平板、下槽平板和在两块平板间隙填充换热液组成，试验结果同样验证了这一观点，但还需优化传热过程，减轻重量，提高能量利用效率。

4）改造辐射面材料

将辐射面的材料改造至允许湿空气中水蒸气透过，即结露现象不在辐射板表面发生。赵媛媛等［15］基于液体除湿和膜分离技术设计并制造了一种中空纤维膜除湿组件，膜对水蒸气具有高透过性，而对除湿溶液具有致密性，即中空纤维膜作为间接接触介质，新风和除湿溶液通过膜进行共轭传质传热，在进行空气除湿的同时还具有较高的制冷能力，但除湿溶液的温度控制不当仍可能导致结露的发生。

5）应用调湿建材

调湿建材是一种利用调湿材料对水蒸气的自动吸放作用调节室内空气湿度的建筑墙体材料。郑树伟等［16］提出将调湿建材应用于辐射供冷房间，再配合合理的系统设计，可有效解决结露问题。但采用此类多孔材料吸附辐射表面产生的冷凝水并不能彻底解决问题，还须配合运行监控系统，更须注意不能影响室内空气品质。

6）应用喷涂材料

在表面喷涂不易凝水的材料以使湿空气在低温表面凝水受阻，涂层不仅需要具备疏水性或亲水性，而且不会影响辐射供冷能力。Kong等［17］针对辐射末端表面进行了疏水处理，结果表明超疏水涂层有效减小了水滴直径，具有明显的延迟结露作用，但经过一段时间后辐射板表面仍然是湿的，处理程度有限，无法根本解决结露问题。刘倩等［18］的发明提供了一种建筑节能防冷凝水结露厚涂料及其制备方法，具有保温隔热防冷凝水结露作用，当潮湿空气接触到一个更冷或更热表面时，涂料固化后形成网格状的表面，毛细孔内部结构可使吸收潮气迅速向空气释放，冷凝水更难产生，降低结露可能性。并且该涂料施工快速、装饰效果好且综合成本低廉。

2.2 控制室内露点温度

室内露点温度的控制可直接在室内放置辅助除湿机组，采用转轮除湿、溶液除湿等高效除湿方式进行除湿，维持室内露点温度低于辐射板表面温度，防止冷辐射空调结露，但此策略还需考虑如何配置才能在不降低系统能效的同时具有技术可行性和经济性；或者通过新风预先通风除湿，冷辐射空调也可与新风送风系统（常见为置换通风、地板送风和贴附射流三种）结合形成复合冷辐射空调系统进行除湿，向房间送入降温除湿处理过的干燥空气。

1）新风预先通风除湿。

Zhang等［19］对香港某建筑进行模拟，研究了湿热气候下的除湿和通风策略，提出在辐射供冷空调系统启动1小时开启通风系统可以有效防止辐射板结露。Ge等［20］基于神经网络预测的方法研究了典型办公建筑中冷却天花板的凝结风险和最佳或最短预除湿时间，仿真试验结果表明，提前运行室外空气系统的方法是可靠的。以上研究都表明在空调系统间歇运行的情况下，预除湿是防止辐射冷却表面结露的有效方法。但是，这项控制策略仍然不能消除最靠近外部门窗的辐射冷却天花板表面的冷凝风险，因为那里容易吸收室外空气渗透到建筑物里，因此该策略有一定的局限性。

2）与置换通风相结合的复合冷辐射空调系统

置换通风是通过向室内送入大量干燥新鲜空气，在地板附近形成干燥空气湖从而降低地板附近空气露点温度，保证地板表面温度始终高于空气露点温度［21］。李红伟［22］建立了置换通风与地板冷辐射空调房间热环境模拟模型，模拟结果表明保证人体热舒适前提下，置换通风的送风温度只能低于或者等于室内设计温度（温差一般为2～4℃），同时地板表面温度控制在19～23℃，送风相对湿度控制在50～55%范围内，地板防结露效果较好。

3）与地板送风相结合的复合冷辐射空调系统

地板送风由于风速大、送风量大而承担室内更多的冷负荷，可适当提高辐射地板温度或管道进水温度以减轻结露现象［23］。王亮等［24］对比研究了下送风与冷辐射复合空调系统的使用性能，结果表明送风气流在上升过程中不断卷吸室内的空气，使得送风口上部的温度分布很不均匀，在模拟参数条件下，风速达到0.4 m/s时室内局部人体热舒适度下降。

4）与贴附射流相结合的复合冷辐射空调系统

贴附射流可以在冷辐射板表面形成一层干燥空气隔层，阻止室内冷辐射板和热湿空气接触，可有效地避免结露现象的发生［25］。Kong等［26］研究了某实验室贴附射流辐射供冷复合空调预除湿、运行及关闭三个阶段，实验结果表明复合空调系统室内舒适度较高，且有效降低辐射冷顶板附近空气的露点温度以避免结露，在一定程度上优于与置换通风相结合的复合冷辐射空调系统，但同时可能存在冷却过慢、除湿能力不足的问题。并且由于贴附射流并非首先通过工作区，清除室内污浊空气的能力较弱，所以会对房间内的空气品质造成影响。

2.3 控制辐射板表面温度

辐射板表面温度的控制主要是对水系统的控制，包括供水流量控制、供水温度或供回水温差控制、两者结合控制以及温湿度传感器反馈调节控制等方式来提高或限制辐射板的温度，控制辐射板表面温度在室内空气露点温度之上，从而降低冷辐射空调结露风险。其中，供水流量控制的基本方法有：双位开关控制方式（也叫开关控制）和变流量控制方式；供水温度控制的基本方法有：室外温度补偿调节方式和室外温度补偿加室内反馈控制方式；水量水温结合控制的基本方法为室外温度补偿加双位开关控制。

1）供水流量、供水温度控制

Ryu等［27］分析了某建筑地板辐射供冷系统供水流量与供水温度变化对结露现象的影响，并对比两种控制策略优缺点，发现将室外温度补偿调节方式应用于双位开关控制方法以及脉冲式控制方式应用于双位开关控制方法都能提高室温和辐射供冷表面温度稳定性，降低结露可能性。Lim等［28］进行了数值模拟和实验测试，研究了韩国某住宅建筑地板冷辐射空调系统的控制方法。结果表明，对于室温控制方面，室外温度补偿加室内反馈控制系统的水温控制优于水量控制，能有效避免结露。此研究提出初始控制结构，但未对控制策略的具体实施进行研究分析。

Jin等［29］先通过对供水温度和供水流量控制方法的比较，发现从安全温差的角度来看，基于水温调节和基于开关控制的水量调节方法可以有效防止结露。之后又研究了不同供水流量调节［30］以及不同供水温度［31］调节对辐射顶板表面温度变化的动态影响，其中根据水量调节线性回归分析结果，建议在实际工程应用中，通过关闭开关阀停止冷冻水的供应，增大辐射板表面温度与室内空气露点温度的差值，可明显降低结露风险。但实验未在不同的冷却运行条件下进行研究，未得出防结露策略的最佳方法和开始时间。关于水温调节模拟结果发现，当有结露的危险时，天花辐射板表面温度随供水温度的变化呈指数变化，供水温度升高，维持安全温差3℃以上不仅有效解决结露问题，还为确定辐射顶棚防结露控制方法和建立最小安全温差预测模型奠定了基础。

虽然供水流量控制以及供水温度控制策略可缓解结露现象，但对系统设计及控制系统的要求较高，增加了整个空调系统的运行负荷，会导致维护工作难度大，系统的稳定性降低。

2）湿度开关控制

在空调房间的最不利点安装相对湿度开关．当有结露危险时，通过湿度开关转换器转换为开关信号控制房间水路电动阀门关闭以防止结露。［32］此装置安装接线简单，且由于直接接触辐射水管表面可感测其表面温度，但同时也存在难以确定不利点、无房间温度参考、影响装修和维护更换麻烦等的缺陷。

3）温湿度传感器反馈调节控制

在空调房间安装温湿度传感器以计算露点温度，通过与房间供水管路表面温度传感器参数相比较进而控制房间水阀，限制冷辐射板表面温度高于室内露点温度。［32］虽然此控制设计可有效降低结露风险，但是还需考虑人为影响参数，人员进出及开、关门窗会引起室内湿度波动而造成额外的结露风险，稳定性降低，冷辐射空调系统的供冷能力也受限制，未从根本上解决结露问题。

3 红外透明新材料新技术用于辐射空调防结露

使用红外透明膜材料隔绝室内空气与辐射供冷末端表面的直接接触（图1），允许辐射表面冷却温度低于室内空气露点温度，可以在潮湿的环境中提供显著的辐射冷却而不结露，显著克服了露点温度对冷辐射空调供冷能力的限制。在实际应用中，有许多红外透明材料，如在日常生活中常用的聚乙烯、聚丙烯。

图1 防止室内结露的红外透明罩原理图［36］。

这种方法最早是由Morse［33］在20世纪60年代提出的，后来，王晋生［34］和Teitelbaum［35］等人基于辐射机理，以高长波透射新型薄膜材料为研究对象，进行了类似的研究工作，实验分析膜材料对结露问题的影响，通过提高辐射空调末端表面温度可有效防止供冷表面结露和下降气流问题，并且加薄膜后对辐射换热影响较小，大幅度地保留了供冷表面原有的辐射换热量。

Xing等［36］对该方法进行了进一步的理论研究，建立了辐射传热模型和室内稳态热模型，并运用王晋生［34］提供的实验数据进行了验证。研究结果表明冷辐射板与材料之间为真空夹层时具有最佳的防结露性能，因为此时该材料对长波透过率很高，温度受辐射换热影响很小；在实际应用中，可以将热传导和自然对流临界距离（14mm）视为安装距离以提高抗结露能力。通过平均红外辐射特性分析发现其对冷却性能影响较大，对红外透明薄膜温度影响较小，所以在此方法中只要相对湿度不超过79.2%，就可以无结露运行。而通过降低冷辐射板表面的温度，就可以解决供冷能力受露点温度的限制问题。

Teitelbaum等［37］还进行了实验测试和热舒适调查问卷工作，证明了运用薄膜辅助辐射冷却技术，不仅辐射和对流可以分离来调节舒适度，而且可仅依靠辐射来创造基于现有指标的舒适环境，可能有助于抑制全球降温需求预测。Du等［38］主要选用商业化廉价聚乙烯膜构成双层红外透明薄膜，将其覆盖于辐射冷源表面，对冷辐射空调在无结露条件下的供冷能力进行定量评价。通过建立简化辐射-对流传热模型与缩尺度实验，研究发现在7℃冷源温度下，带红外透明膜的供冷能力为104.0 W/m2，比常规冷辐射空调提高了48%（图2）。即双层红外透明膜在采用较低冷源温度，缩小尺度空间的情况下，可显著提高制冷量而不产生结露，且该材料安装方便，成本低，具有广阔的工程应用前景。

图2 不同辐射空调末端表面温度下供冷能力比较［38］。

4 总结及展望

众多防控技术策略虽然在降低冷辐射空调结露风险上取得了明显效果，但由于冷辐射空调供冷能力总是受到露点温度的限制，对于冷辐射空调综合性能提升还需要开展更为创新的研究工作，如通过发展新材料新技术推动冷辐射空调技术工程应用。

目前研究成果表明红外透明薄膜在冷辐射空调的应用中具有在预防结露的同时提升冷辐射空调系统整体供冷能力的潜力。但至今国内外冷辐射系统中基于红外透明薄膜材料防结露的研究，其理论研究工作多于实验研究成果，对于已经得到理论论证的方法还缺乏实际工程验证，并且目前众多红外透明材料还存在红外辐射穿透比不够高、力学和防火性能较差等问题。在未来研究中还需要在实验研究和工程实践中不断完善和改进，并且致力于研发高性能的高强度红外透明膜、高气密性膜、高密封性密封剂或其它新型高性能材料。通过新材料新技术发展提升冷辐射空调的综合性能，为防结露工作提供更好的保障，促进冷辐射空调的技术发展与工程应用，为建筑节能减排作出应有的贡献。